08 ЛДУ 2
.pdfПри выполнении условий (17)
|
|
|
n |
|
n |
n |
x yi x , |
|
y Ci x yi x Ci |
x yi x Ci |
|
||||||
|
|
|
i 1 |
|
i 1 |
i 1 |
|
|
y |
|
|
n |
|
n |
n |
x yi x , |
|
|
Ci x yi |
x Ci |
x yi x Ci |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
i 1 |
i 1 |
|
|
|
|
|
…………………………………………… |
(18) |
||||
|
|
n |
|
|
n |
n |
|
|
y n 1 Ci x yi n 2 |
x Ci |
x yi n 1 x Ci x yi n 1 x , |
|
|||||
|
i 1 |
|
|
i 1 |
i 1 |
|
||
n |
|
|
|
|
n |
|
n |
|
y n Ci x yi n 1 x |
Ci x yi n x f (x) Ci x yi n x . |
|
||||||
i 1 |
|
|
|
|
i 1 |
|
i 1 |
|
Подставляя (18) и функцию (16) в уравнение (13), будем иметь |
|
|||||||
n |
|
|
x yi n x a1 x yi n-1 x an x yi x 0 . |
|
||||
Ci |
|
i 1
Последнее соотношение является тождеством на отрезке [a,b] , поскольку по предположению функции yi x , i 1, n являются решением линейного однородного уравнения
(14).
Таким образом, при выполнении условий (17) функция y(x) , определяемая
формулой (16), является решением линейного неоднородного дифференциального уравнения (13).
Определитель матрицы коэффициентов системы (17) является вронскианом W y1, y2 , , yn , и, следовательно, отличен от нуля на отрезке [a,b] , поскольку
y1, y2 , , yn – фундаментальная система решений однородного уравнения (14). Поэто-
му система (17) имеет единственное решение Ci x i |
x , i |
|
, откуда |
1, n |
|||
Ci x i x dx Ci , |
(19) |
где Ci , i 1, n – произвольные постоянные. Подставляя (19) в (16), находим общее решение уравнения (13).
В частности, для уравнения второго порядка
y a1 (x) y a2 (x) y f (x)
система (17) имеет вид
|
x y1 |
|
x y2 x 0, |
|
|
C1 |
x C2 |
(20) |
|||
C1 |
x y1 |
x C2 |
|
|
|
x y2 x f x . |
|
||||
|
|
|
|
|
|
Решая ее по формулам Крамера, имеем
11
|
x |
|
y2 x |
|
: |
|
y1 x |
y2 x |
|
|
|
|
f x y2 x |
, |
|||||||
0 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
C1 |
f x |
y2 x |
|
|
y1 x |
y2 x |
|
|
y1 |
x y2 x y1 |
x y2 x |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
x |
|
|
f x y1 x |
|
|
, |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
C2 |
|
y1 x y2 |
x y1 |
x y2 x |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
так что
C1 |
x |
|
f x y2 |
x |
|
dx C1 |
, |
|
y1 |
x y2 x y1 |
x y2 x |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
C2 |
x |
|
f x y1 |
x |
|
dx C2 . |
y1 |
x y2 x y1 x y2 x |
|||||
|
|
|
|
|
|
Пример 11. Зная, что функции |
y (x) |
cos x |
, |
y |
|
(x) |
sin x |
образуют фундамен- |
|
2 |
|
||||||
|
1 |
x |
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тальную систему решений уравнения y 2x y y 0 , методом вариации произвольных решить уравнение
y 2x y y 1.
Искомое решение ищем в виде
y C x |
cos x |
C |
|
x |
sin x |
. |
|
2 |
|
||||
1 |
x |
|
|
x |
||
|
|
|
|
Для нахождения функций C1 x , C2 x составляем систему (20) относительно производных этих функций:
|
x |
cos x |
|
|
|
x |
sin x |
0, |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
C1 |
|
x |
C2 |
x |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
cos x |
|
|
sin x |
|
|||||||
|
|
|
|
|||||||||
x |
|
|
|
|
x |
|
|
|
1. |
|||
C1 |
|
C2 |
|
|||||||||
|
x |
|
|
|
|
|
x |
|
||||
|
|
|
|
|
Подставляя |
|
x |
cos x |
|
x во второе уравнение, получаем |
|
|||||
|
|||||
C2 |
sin x |
C1 |
|||
|
|
|
|
|
C1 |
xsin x cos x |
|
x |
|
|
|
x2 |
|
|
|
Интегрируя, находим
|
cos x |
|
x cos x sin x |
1 |
|
C1 (x) xsin x, |
||||
|
|
|
|
|
|
(x) x cos x. |
||||
|
|
2 |
||||||||
|
sin x |
|
x |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
C2 |
|
|
|
|
|
|
C1 (x) xsin xdx C1 |
x cos x sin x C1 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
C2 (x) x cos xdx C1 |
xsin x cos x C2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Таким образом, общим решением исходного уравнения является функция |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
y x cos x sin x C |
cos x |
xsin x cos x C |
|
|
sin x |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
x |
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
C |
cos x |
C |
|
sin x |
|
x cos2 x sin x cos x xsin 2 x cos xsin x |
C |
cos x |
C |
|
sin x |
1 |
. ▲ |
||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||||||||
1 |
x |
|
x |
|
|
x |
|
|
|
1 |
x |
|
|
|
x |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|